浙江大學(xué)張鵬/王幽香 Adv. Sci.：具有交替序列的聚（谷氨酸-賴(lài)氨酸）EK肽水凝膠 - 可抵抗小鼠和靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的異物反應(yīng)
可植入生物材料和生物醫(yī)學(xué)器件植入后所引起的異物反應(yīng)（Foreign Body Response）會(huì)嚴(yán)重阻礙其功能，甚至導(dǎo)致失效？朔踩氩牧系腇BR 反應(yīng)，開(kāi)發(fā)具有高度免疫相容性的生物材料仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。
近期，浙江大學(xué)張鵬研究員、王幽香副教授等人受人類(lèi)蛋白質(zhì)表面谷氨酸（E）和賴(lài)氨酸（K）殘基富集的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一類(lèi)具有E和K交替序列的兩性離子多肽水凝膠（ZIP），并研究了其作為可植入材料的異物免疫排異反應(yīng)。ZIP水凝膠在小鼠皮下植入2周后引起的炎癥極小，在6個(gè)月后沒(méi)有明顯的膠原囊包裹。重要的是，這些水凝膠在食蟹猴動(dòng)物模型中也同樣能夠有效抵抗異物反應(yīng)至少 2個(gè)月。此外，通過(guò)調(diào)整交聯(lián)程度或氨基酸單體的光學(xué)異構(gòu)體，可以控制凝膠的酶降解性能。ZIP水凝膠的長(zhǎng)期異物反應(yīng)抵抗性和可控的降解性為其廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能性。相關(guān)工作以“Poly(glutamic acid-lysine) Hydrogels with Alternating Sequence Resist the Foreign Body Response in Rodents and Non-human Primates”為題發(fā)表在Advanced Science。
具有高度免疫相容性的水凝膠材料在植介入應(yīng)用中極為重要，然而當(dāng)前極少有材料能夠有效阻抗植入后機(jī)體的免疫排異反應(yīng)。即使是生物材料中應(yīng)用最為廣泛的聚乙二醇（PEG）水凝膠，在植入后也會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的異物反應(yīng)。在這項(xiàng)研究中，作者首次合成報(bào)道了一類(lèi)由谷氨酸和賴(lài)氨酸交替共聚所形成的兩性離子多肽水凝膠（ZIP）。ZIP水凝膠具有兩性離子特征，能夠有效抵抗蛋白質(zhì)吸附、細(xì)胞粘附以及細(xì)菌粘附。另外通過(guò)調(diào)節(jié)ZIP水凝膠的交聯(lián)程度或氨基酸單體的光學(xué)異構(gòu)體能夠?qū)崿F(xiàn)其體外的可控降解（圖1）具有高交聯(lián)度或D構(gòu)型的ZIP水凝膠相比于具有低交聯(lián)度或L構(gòu)型的水凝膠有更高的體外抗酶降解能力。
圖1 ZIP水凝膠的設(shè)計(jì)與體外實(shí)驗(yàn)
同時(shí)，作者也通過(guò)高頻超聲成像證明了通過(guò)調(diào)節(jié)ZIP水凝膠的交聯(lián)程度或氨基酸單體的光學(xué)異構(gòu)體可以在小鼠皮下模型中實(shí)現(xiàn)水凝膠的可控降解（圖2）。實(shí)驗(yàn)顯示PEG水凝膠和D構(gòu)型的ZIP水凝膠在植入8周內(nèi)沒(méi)有發(fā)生明顯降解，而L構(gòu)型的ZIP凝膠在8周后完全降解。
圖2 ZIP高頻超聲成像表征植入后水凝膠厚度隨時(shí)間的變化
水凝膠皮下植入后的免疫組化切片表明，與PEG水凝膠植入后引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)相比，ZIP水凝膠引起非常輕微的炎癥反應(yīng)。細(xì)胞因子陣列測(cè)試也表明ZIP水凝膠植入后周?chē)M織內(nèi)的炎癥因子表達(dá)遠(yuǎn)低于PEG水凝膠（圖3）。
圖3植入后2周的炎癥標(biāo)志物染色和細(xì)胞因子陣列分析
小鼠皮下長(zhǎng)期植入實(shí)驗(yàn)表明，ZIP水凝膠能夠有效抵抗異物反應(yīng)至少6個(gè)月的時(shí)間。相比于PEG水凝膠植入后被致密的膠原囊所包裹，ZIP水凝膠附近的膠原密度明顯更低（圖4）。
圖4 ZIP水凝膠在小鼠模型中的長(zhǎng)期抗纖維化作用
由于人體免疫環(huán)境相比于小鼠更為嚴(yán)苛，小鼠皮下埋植結(jié)果并不能充分驗(yàn)證材料的免疫相容性。為了進(jìn)一步探究材料在接近人體免疫環(huán)境中的相容性，作者采用了健康食蟹猴模型進(jìn)行了皮下植入實(shí)驗(yàn)。ZIP水凝膠在食蟹猴皮下植入后同樣能夠有效抵抗異物反應(yīng)至少2個(gè)月的時(shí)間，相比于PEG水凝膠ZIP水凝膠附近的膠原密度明顯更低（圖5）。
圖5 ZIP水凝膠在非人靈長(zhǎng)類(lèi)模型中的長(zhǎng)期抗纖維化作用
作者最后介紹道，最近的研究表明，與適應(yīng)性免疫相關(guān)的細(xì)胞也在異物反應(yīng)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。在本研究中，他們沒(méi)有調(diào)查ZIP水凝膠植入對(duì)與適應(yīng)性免疫相關(guān)的細(xì)胞（如T細(xì)胞）的影響。未來(lái)的研究可以探索這一方面，以更好地理解ZIP水凝膠的特異性抗纖維化機(jī)制。顯著的抗纖維化特性和可調(diào)節(jié)的酶降解行為的結(jié)合，使ZIP水凝膠成為植入式生物材料和生物醫(yī)學(xué)器械領(lǐng)域中多種應(yīng)用的極具前景的選擇。
浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系張鵬研究員與王幽香副教授為該論文的共同通訊作者。文章第一作者是浙江大學(xué)博士生周咸池和碩士生曹文忠。合作作者同時(shí)包括浙江大學(xué)高分子系計(jì)劍教授、浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院眼科中心姚克教授及浙江大學(xué)化工學(xué)院陳圣福教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、浙江省自然科學(xué)基金華東醫(yī)藥企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及中央基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202308077
